خلاصه عملکرد صافی یا فیلتر شنی کند

فیلتر شنی کند یک سیستم متمرکز یا نیمه متمرکز برای تصفیه آب است. یک فیلتر شنی کند (SSF) که به درستی طراحی و ساخته شده باشد، کدورت و ارگانیسم های پاتوژن موجود در آب را در یک مرحله از طریق فرآیندهای بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی به خوبی تصفیه و حذف می‌کند.

فرآیندهای پیش تصفیه (مانند ته نشینی) تنها در صورتی ضروری و مورد نیاز می باشد که میزان کدورت و یا آلودگی جلبکی در ورودی فیلتر بسیار بالا باشد. از مشخصه های اصلی سیستم های فیلتر شنی کند می توان به قابلیت اطمینان بالا و هزینه های پایین آن اشاره نمود. همچنین غیر از ساخت، راهبری و تعمیر و نگهداری آن نیاز به مهارت های خاصی ندارد. از این رو فیلتر شنی کند، روش فیلتراسیون بسیار مناسبی برای تصفیه آب روستاهای کوچک و متوسطی که دارای منابع آبی سطحی با کیفیت مناسب هستند، می باشد. طبق اعلام سازمان جهانی بهداشت (WHO) فیلتر شنی کند روشی ساده و ارزان و در عین حال بسیار کارآمد برای مدیریت منابع آبی است.

مقدمه

فیلتر شنی کند در طول 150 سال گذشته روشی بسیار مناسب برای تصفیه آب و جلوگیری از شیوع بیماری های گوارشی بوده است که برای اولین بار در بریتانیا و سپس در سایر کشورهای اروپایی مورد استفاده قرار گرفته است. این سیستم در حال حاضر در لندن، اروپای غربی و سایر نقاط جهان مورد استفاده قرار می گیرد. دلیل اصلی کاهش محبوبیت فیلتر شنی کند در کشورهای صنعتی و توسعه یافته در سال های اخیر، افزایش قیمت زمین و نیروی کار می باشد. این امر موجب بالا رفتن قیمت آب خروجی تصفیه شده توسط این سیستم می گردد. در مناطقی که افزایش قیمت وجود نداشته باشد، فیلتر شنی روشی مقرون به صرفه و پربازده برای تصفیه آب می باشد. از آنجایی که این شرایط در بسیاری از کشورهای در حال توسعه مانند ایران وجود دارد، به کارگیری این سیستم برای تصفیه آب روشی مناسب و کاملا اقتصادی است.

فیلتر شنی در حال کار در مقیاس بزرگ-پورتسموث 1927

اصول اولیه طراحی صافی شنی کند

اصول اولیه این فرآیند بسیار ساده می باشد. جریان آب شیرین آلوده با عبور از لایه ای از شن و ماسه نه تنها به صورت فیزیکی فیلتر خواهد شد بلکه به صورت بیولوژیکی نیز تصفیه شده و لذا رسوبات و پاتوژن های آن حذف می گردند. مبنای اصلی این فرآیند بر پایه ی توانایی ارگانیسم ها برای حذف پاتوژن ها است. این نکته وجه تمایز میان فیلتر شنی سریع و کند می باشد. تفاوت میان این دو سیستم صرفا در مورد سرعت فیلتراسیون نمی باشد، بلکه در مفهوم اصلی تصفیه است. فیلتراسیون فیلتر شنی کند فرآیندی بیولوژیکی نیز می باشد. در حالی که فیلتر شنی سریع فرآیند تصفیه ای فیزیکی است.

فرآیند

اگر چه حذف فیزیکی ذرات جامد بخش مهمی از فرآیند یک فیلتر شنی کند می باشد، اما جنبه ی مهم دیگر آن فیلتراسیون بیولوژیکی می باشد. با تشکیل شدن یک کلونی میکروبی در لایه ی بالایی شن، لایه های بالایی فیلتر از لحاظ بیولوژیکی فعال می گردند. این میکروب ها معمولا از طریق آب ورودی وارد سیستم می شوند و ظرف مدت چند روز یک کلونی را تشکیل می دهند. استفاده از شن ریز و نرخ آهسته فرآیند فیلتراسیون موجب تسهیل شکل گیری این کلونی میکروبی می گردد. بخش عمده ای از این کلونی را باکتری های شکارچی ای تشکیل می‌دهند که از میکروب های منتقل شده از طریق آب و در حال عبور از فیلتر شنی، تغذیه می‌کنند. از این رو اصل اساسی در فیلتر شنی های کند بیو فیلتراسیون صورت گرفته توسط شن و ماسه است.

شمای کلی یک فیلتر شنی کند

ساختار

همانند فرآیند، ساختار اصلی فیلتر شنی کند نیز بسیار ساده می باشد. در حالت کلی این سیستم فقط به مخزن فیلتر، نوعی تانک ذخیره و لوله کشی نیاز دارد. مخزن فیلتر با توجه به شرایط آب و هوایی می تواند به صورت روباز یا بسته ساخته شود. (در مناطق سردسیر به دلیل تاثیر درجه حرارت پایین بر روی عملکرد سیستم، از مدل روبسته استفاده می شود)

فیلتر شنی کند با یک شیر تنظیم و تانک ذخیره

پس از ساخت و فراهم نمودن تجهیزات یک فیلتر شنی کند، تنها نیاز به شن تمیز برای تعویض دوره ای آن می باشد. ترتیب قرار گرفتن لایه های فیلتر شنی بر اساس اندازه شن ها می باشد: دانه های درشت پایین و دانه های ریزتر بالای مخزن قرار می گیرند. معمولا بر روی بستر شنی یک متر آب وجود دارد. از آنجا که فرآیند فیلتراسیون بیولوژیکی برای تصفیه مناسب آب نیازمند زمان کافی می باشد، لذا فیلترهای شنی کند معمولا با دبی کمی و در حدود  0/3 – 0/1  متر مکعب بر ساعت در هر متر مربع در سطح کار می کنند. بنابراین آب به مدت چند ساعت در نیمه ی بالایی قرار خواهد گرفت و ذرات بزرگتری می توانند جداسازی و ته نشین شوند. سپس آب از بستر شنی عبور کرده و همزمان چند فرآیند تصفیه بر روی آن صورت می گیرد.

آب برای عبور از میان لایه های شن به نوعی فشار فیزیکی نیاز دارد و بسته به نوع ساخت دو نوع راه مختلف برای این کار وجود دارد. این فشار می تواند بوسیله پمپ یا نیروی جاذبه ایجاد شود. واضح است که در صورت استفاده از پمپ به نوعی نیروی محرک نیاز بوده و سیستم پیچیده تر خواهد شد.

جنبه های بهداشتی

فیلتر شنی کند روشی بسیار مفید و پربازده برای حذف آلودگی های میکروبی می باشد و در اغلب موارد شاخصه ی قابل توجهی از باکتری ها نیز در خروجی نیز وجود نخواهد داشت. این سیستم هم چنین برای حذف پروتوزوآ و ویروس ها نیز مفید است. در صورتی که کدورت جریان خروجی کمتر از 1NTU  باشد، فرآیند موفق به حذف 90 تا 99 درصد باکتری ها و ویروس‌های موجود می شود. با این حال فیلتر شنی کند برای حذف اغلب مواد شیمیایی کارایی چندانی ندارد. با این حال با توجه به آلودگی های شدید ناشی از باکتری ها می توان اذعان داشت که استانداردهای شیمیایی برای آب آشامیدنی نگرانی دوم در تامین منابع آبی هستند.

کاربردهای معمول فیلتر های شنی کند

گند زدایی

با وجود آن که فیلتر های شنی کند برای حذف پاتوژن های میکروبیولوژیکی بسیار کارآمد می‌باشند، از گندزداها (مانند کلرزنی) به عنوان مرحله بعدی تصفیه در واحدهای فیلتر شنی کند استفاده می شود. در ابتدا با هدف غیرفعال کردن باکتری های باقی مانده به عنوان واحد نهایی تصفیه است. هدف بعدی نیز از بین بردن بقایای باکتری هایی می باشد که در حین ذخیره یا توزیع تولید شده اند.

برای جلوگیری از ایجاد اختلال بر روی فرآیند بیولوژیکی، معمولا کلرزنی بعد از واحد فیلتراسیون می باشد. در مواردی که آب حاوی مقادیر زیادی از مواد آلی طبیعی (NOMs) باشد، به عنوان مثال آب های سطحی در مناطق گرمسیر، به دلیل خطر تشکیل محصولات ضد عفونی کننده(DBPs) نباید از کلرزنی استفاده نمود. هنگامی که مواد آلی طبیعی در معرض رادیکال های کلر قرار می گیرند باعث تولید تری هالومتان ها (THMs) و سایر مواد ضد عفونی کننده آلی (DBPs) می شوند که سرطان زا می باشند.

ساخت، راهبری، تعمیر و نگهداری فیلتر شنی کند

ساخت

فیلترهای شنی کند شامل یک مخزن (معمولا بتنی) می باشند که درون آن بستری از شن و ماسه بر روی لایه ای از گرانول و لوله های سوراخ دار قرار دارد. وظیفه این لوله ها جمع آوری آب تصفیه شده می باشد. برای مصارف عمومی، مخازن فیلتر می تواند از آجر یا فوم سیمان نیز ساخته شود. در سال های اخیر استفاده از انواع مخازن پلاستیکی نیز رواج پیدا کرده است.

نمونه ای از یک مخزن پلاستیکی کوچک فیلتر شنی

نمونه ای از مخازن بتنی فیلتر شنی کند در تصفیه خانه ها

با طراحی ساده و اصولی فیلترهای شنی کند می توان با استفاده از مواد، وسایل و نیروهای تخصصی موجود اقدام به ساخت آن نمود. با توجه به سادگی مراحل ساخت می توان با به کارگیری پیمانکاران باتجربه و یا توسط خود مجموعه و مشاوره های فنی لازم، اقدام به ساخت این مخازن نمود. در صورت بزرگ بودن مجموعه، استفاده از تجهیزات هیدرولوژیکی اصلی مانند شیرها و دستگاه های اندازه گیری ضروری می باشد.

ساخت فندانسیون یک فیلتر شنی کند توسط نیروهای محلی

راهبری

راهبری و تعمیر و نگهداری صحیح دو عامل اساسی در تعیین بازدهی فیلترهای شنی کند هستند. در صورت مساعد بودن شرایط جغرافیایی منطقه می توان از نیروی جاذبه برای برقراری جریان آب در تمام طول فرآیند استفاده نمود، که در این صورت دیگر نیازی به پمپ و نیروی الکتریکی نخواهیم داشت. این نکته را باید در نظر داشت که دبی آب باید در بازه ی 0/1 – 0/3 متر در ساعت نگه داشته شود. این کار باعث ایجاد جریان ثابتی از مواد مغذی و اکسیژن برای میکروارگانیسم ها شده و زمان مورد نیاز برای تصفیه را برای آن ها فراهم می کند.

با گذشت چند هفته یا حتی چند ماه ممکن است تراکم میکروارگانیسم ها به قدری بالا برود که موجب گرفتگی فیلتر شود. در صورتی که جریان بسیار کم باشد، پس از تخلیه نمودن فیلتر، لایه های بالایی شن را برداشته، پس از شستشو برای خشک شدن در معرض آفتاب قرار داده و دوباره به مخزن بر می گردانیم. برای جبران نمودن میزان شن از دست رفته در طی فرآیند فوق مقداری شن جدید نیز به مخزن اضافه می کنیم. پیشنهاد می شود هر دو ماه یکبار برای جلوگیری از گرفتگی شیرها، آن ها را باز و بسته نموده و در صورت مشاهده هرگونه نشتی در سیستم به سرعت آن را برطرف کنید.

تعمیر و نگهداری

در صورت آموزش صحیح و کامل، بهره برداری و نظارت بر عملکرد فیلتر شنی کند می تواند توسط خود افراد نیز صورت پذیرد. بازرسی روزانه ی عملکرد سیستم و در صورت نیاز، تنظیم جریان بسیار ساده بوده و کمتر از یک ساعت زمان خواهد برد. شستشوی فیلتر نیز کار دشواری نبوده و به راحتی توسط چند نفر در یک روز انجام می شود، اما بررسی مداوم پارامترهای بهداشتی سیستم بسیار مهم و ضروری می باشد. در صورت طراحی و ساخت اصولی فیلتر نیاز به انجام تعمیرات بر روی مخازن و سیستم زه کشی به ندرت بوجود می آید، اما شیرها و لوله های فلزی سیستم نیاز به بازرسی دوره ای و مرتب دارند.

شستشو و پاکسازی فیلتر توسط نیروهای محلی

در صورت وجود کیت های ساده ی اندازه گیری، کنترل کیفیت آب به سادگی و بدون نیاز به آموزش های تخصصی قابل اجرا می باشد. اما وجود آموزش ها، هر چند مختصر و کوتاه، ضروری می باشد. علاوه بر مبحث تعیین مقدار شن جدید مورد نیاز برای مخزن پس از شستشو، تعیین میزان کلر، مواد آزمایشی مورد نیاز و … نیاز به آموزش دارد. با به کارگیری مشاوره ها و آموزش‌ها از شرکت ها و نیروهای متخصص، صاحبان این سیستم ها می توانند خودشان به راحتی عملیات بهره برداری و تعمیرات را بر عهده بگیرند.

هزینه ها

هزینه های ساخت

قیمت فیلتر شنی کند به شدت وابسته به شرایط محلی است. از آن جا که این سیستم‌ها غالبا نیاز به فضای زیاد و تجهیزات کمی دارند، لذا سهم عمده ی هزینه های ساخت آن به قیمت زمین و دستمزد نیروی کار اختصاص دارد و هزینه های مربوط به مواد و تجهیزات در مقایسه با آن ناچیز می باشد. لذا تصفیه آب بوسیله فیلتر شنی کند در مناطقی که هزینه نیروی کار پایین و در دسترس بودن زمین و قیمت آن عامل محدود کننده ای نمی باشد، بسیار مقرون به صرفه می باشد.

هزینه های راهبری و تعمیرات و نگهداری

هزینه های راهبری تقریبا با صرف نظر از هزینه های مربوط به شستشوی بسترهای فیلتر شنی در نظر گرفته می شود. در این فرآیند غالبا نیازی به مواد شیمیایی یا سایر مواد افزودنی، هوای فشرده شده، هم زن های مکانیکی یا آب پرفشار برای بک واش نمی باشد. بنابراین هزینه های مربوط به راهبری، تعمیر و نگهداری و تامین انرژی (سوخت و برق) بسیار ناچیز می باشد.

صافی شنی کند در یک نگاه

قابلیت اجرا

جریان ورودی به فیلتر شنی باید کدورتی کمتر از 30NTU داشته باشد. (مقدار ایده آل کمتر از 10NTU است) در غیر این صورت برای اطمینان از عدم بارگذاری بیش از حد روی فیلتر، پیش تصفیه (ته نشینی) ضروری می باشد. علاوه بر این شرایط آب و هوایی باید در حالت معتدل باشد. بازدهی فیلتر شنی کند برای حذف میکروارگانیسم ها از آب سرد به دلیل کم شدن فعالیت های بیولوژیکی با کاهش دما، به شدت افت می کند.

از آن جا که ساخت، بهره برداری و تعمیر و نگهداری فیلترهای شنی کند کار دشواری نمی باشد و به مهارت های تخصصی نیاز ندارد، تصفیه آب با این روش بسیار کارآمد و اقتصادی بوده و راه حل مناسبی برای مدیریت منابع آبی در کشورهای در حال توسعه می باشد. با وجود آن که فیلترهای شنی کند به صورت خودکار قابلیت سازگاری و تطبیق با نوسانات کم موجود در کیفیت آب ورودی، دما، شرایط آب و هوایی و مقدار کدورت آب را برای مدت کوتاهی دارا هستند، بازرسی و کنترل مداوم و مرتب شرایط بسیار ضروری می باشد.

مزایا

• حذف کارآمد کدروت، سم ها، پاتوژن ها، ویروس ها و فلزات سنگین از آب شیرین آلوده
• سادگی طراحی و قابلیت خودآموزی بالا
• در صورت امکان استفاده از نیروی جاذبه، نیازی به پمپ و نیروی برق نمی باشد
• برای ساخت می توان از امکانات موجود نیز استفاده نمود
• قابلیت اطمینان بالا و توانایی سازگاری با نوسانات آب
• عدم نیاز به فرآیندهای شیمیایی
• مناسب برای مناطق روستایی و نیمه شهری
• طول عمر بالا (حداقل بیش از 10 سال)

معایب

• شرایط خاص در جریان ورودی نیاز است. باید کدورت پایین بین 10 تا 30 باشد. آلودگی های جلبکی پایین نیاز است. در غیر این صورت پیش تصفیه ضروری می باشد.
• هوای سرد به دلیل کاهش فعالیت های بیولوژیکی موجب پایین آمدن راندمان سیستم می شود.
• از دست دادن بهره وری در خلال فرآیندهای گاها طولانی مدت مانند filter skimming (تخلیه و شستشوی لایه سطحی فیلتر شنی کند) و ripening (مدت زمان لازم برای رسیدن به حداکثر راندمان فیلتر از طریق به دام افتادن ذرات در بستر فیلتر و کاهش اندازه خلل و فرج بستر فیلتر)
• ضرورت بازرسی مداوم برخی از تجهیزات اصلی و نمونه برداری پارامترهای فیزیکی و شیمیایی دارند.
• آب با عبور از یک فیلتر سبز رنگ و نازک، بدون فرآیندهای شیمیایی برای نوشیدن کاملا مناسب نمی باشد. ترکیبات شیمیایی (مانند فلوراید) به صورت کامل حذف نمی شوند.
• عدم حذف مواد آلی طبیعی و سایر DBP ها
• نیاز به فضای زیاد، مقدار زیادی مدیای فیلتر و شستشوی دستی و هم چنین نرخ پایین فیلتراسیون

منبع: SSWM